基于PLC的變壓器鐵芯縱剪線控制系統(tǒng)改造

趙 濤 姜國平 杜 春

(北方民族大學(xué)，寧夏 銀川750021)

變壓器鐵芯縱剪線是變壓器生產(chǎn)的專用設(shè)備之一，也是變壓器廠的生命線，所有變壓器生產(chǎn)所用到的硅鋼帶寬卷都要經(jīng)過縱剪線縱向剪切成所需要的寬度，再卷制成卷料。如果縱剪線出現(xiàn)故障，變壓器將無法正常生產(chǎn)。上世紀(jì)七八十年代進(jìn)口的德國喬格公司變壓器鐵芯縱剪線的控制系統(tǒng)由許多單片機、大量的數(shù)字、模擬電子元器件組成。隨著時間的變化，大部分元器件老化，故障時有發(fā)生，任意一個元器件的故障都可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能正常工作，只靠維修來解決問題困難很大，很多元器件很難買到，再加上大量的數(shù)字、模擬器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)難度加大，要想從根本上解決這種現(xiàn)狀，就必須對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，現(xiàn)運用三菱FX2N系列PLC取代原有的模擬、數(shù)字控制器，對整個鐵芯縱剪線控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級。

1 變壓器鐵芯縱剪線工藝流程

圖1為變壓器鐵芯縱剪線示意圖。整個設(shè)備主要由開卷機、縱剪機、張緊裝置、卷取機等組成。

硅鋼片縱剪生產(chǎn)線工藝流程為:拆包→上料小車→開卷機→膠輥→活動導(dǎo)向裝置→圓盤剪→拉料輥→分料輪I→張緊輪→分料輪II→支撐輥→卷取機→下料小車→檢驗→打包?，F(xiàn)將主要組成介紹如下:

(1)開卷機 用于鐵芯縱剪線上料和放料，既可以通過手輪旋轉(zhuǎn)螺桿副，帶動主軸上的滑套，滑套又通過連桿帶動卷筒做脹開或收縮運動，又可以采用液壓傳動的方式來實現(xiàn)脹開或收縮的動作。卷料一般為內(nèi)徑為φ510 mm，將卷料套在處于收縮狀態(tài)下的卷筒上，轉(zhuǎn)動手輪，卷料被撐緊，完成上料動作。放料動作由開卷機的直流電機驅(qū)動，其線速度應(yīng)與縱剪機同步。開卷機的上料方式直接影響到縱剪線的運行，有些工廠采用天車上料，這樣容易將硅鋼卷損壞，并且卷料在開卷機上的放置位置不易控制，容易給硅鋼帶平展進(jìn)入緩沖坑帶來困難，導(dǎo)致縱剪線不能正常運轉(zhuǎn)。為了避免上述問題的發(fā)生，一般都應(yīng)配置上料小車。上料小車有手推式、手動機械升降，也有采用液壓行走、升降的方式。

(2)縱剪機 是縱剪線的主機，主要由活動導(dǎo)向裝置、圓盤剪和拉料輥組成?；顒訉?dǎo)向裝置位于縱剪機的進(jìn)料位置，用于將硅鋼帶準(zhǔn)確、平展地送到兩縱剪刀軸之間，也就是活動導(dǎo)向裝置可以將進(jìn)入縱剪機前的硅鋼帶在上、下、左、右的方向?qū)耄员銕Я享樌丶羟?。圓盤剪主要完成硅剛帶的縱向剪切，圓盤剪刀片的材料采用高速鋼或硬質(zhì)合金，刀片大多是采用粘結(jié)的辦法固定在刀盤上，刀盤與刀體采用螺釘連接，在刀體內(nèi)設(shè)置夾緊機構(gòu)，喬格線的刀具夾緊機構(gòu)采用圓錐滾針軸承軸向移動夾緊機構(gòu)。拉料輥位于縱剪機的出料位置，由上、下兩個輥子組成，上輥采用鋼管上包橡膠或聚氨酯，其肖氏硬度為85～90，下輥是鋼輥，由縱剪機傳動裝置提供動力，兩輥間平行，并且必須與刀軸平行。上輥升降機構(gòu)采用螺桿副和螺旋副組合，并設(shè)置壓簧，在上、下輥間產(chǎn)生壓緊力，起到牽引硅鋼帶被動剪切的目的。

(3)張緊裝置 主要由分料輪I、張緊輪、分料輪II和支撐輥組成。張緊裝置設(shè)置在收卷機前，它能使正在收卷的硅鋼片料產(chǎn)生張力，并將剪開的條料分開，保證條料在收卷機上收卷緊密、整齊。壓力調(diào)整是張緊裝置的關(guān)鍵，它直接影響到卷料的整齊與緊密程度，如果硅鋼片條料上所受到的壓力不均衡的話，在收卷時，這些條料就會“跑偏”而收不齊。對于同時收卷的多條硅鋼片而言，如果壓力相差較大時，造成張力不同而硅鋼片條料在地坑內(nèi)的高度差較大，會使收卷機的速度難以控制，喬格線的張緊裝置在上壓板上采用氣壓，壓縮空氣的壓力調(diào)整方便。

(4)收卷機 其與開卷機的構(gòu)成類同，主要有電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速箱、主軸和卷筒等，位于整個縱剪線的尾部，用來收卷已剪好的硅鋼片條料。工作時，同時剪切好的硅鋼片必須同時卷繞在收卷機的卷筒上，每個窄的卷料必須要緊密，端面要整齊。隨著卷筒上卷料的卷繞，直徑會增大，硅鋼片張力產(chǎn)生的力矩也隨之增大。喬格線的收卷機采用直流電動機恒功率調(diào)速的方式，該技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用到實際過程中，本文不再贅述。

(5)下料方式 縱剪線收卷后采用小車下料，當(dāng)收卷機結(jié)束后，小車臺面升高到料卷下側(cè)面，收卷機收縮，卷料落在小車臺面上，小車沿卷筒縱向拉出，再由吊車運走［1］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

鐵芯縱剪線的剪切質(zhì)量的要求重點是剪切毛刺和單邊直線度，特別是毛刺，它直接影響到變壓器產(chǎn)品損耗等性能。行業(yè)產(chǎn)品分等明確提出剪切毛刺小于或等于0.02 mm才能為優(yōu)等品［2］?？v剪線加工出的產(chǎn)品品質(zhì)主要取決于開卷機、縱剪機和收卷機，其控制的關(guān)鍵是速度的匹配:開卷機與縱剪機的速度匹配和縱剪機與收卷機的速度的匹配。在開卷機與縱剪機和縱剪機與收卷機之間均設(shè)有一個活套，是硅鋼帶的緩沖區(qū)，同時還可以防止前后電動機不同步時拉傷硅鋼帶。開卷機、縱剪機和收卷機均采用直流電動機驅(qū)動，均采用編碼器測速。

開卷機的開卷臂上料卷的卷徑是不斷變小的，在開卷機上檢測其線速度比較困難，可以在活套靠近開卷機的一側(cè)增設(shè)兩個小的膠輥，在其中一個膠輥上裝設(shè)一個編碼器，由于膠輥上硅鋼帶的線速度與開卷機是相同的，這樣既可以過渡硅鋼帶又可以很方便地測出開卷機的放料線速度。在縱剪機的上拉料輥上安裝一個編碼器就可以很方便地測出縱剪機的線速度。收卷機上卷料的卷徑越來越大，直接測量其線速度有些困難，可以在支撐輥上安裝一個編碼器，就可以很方便地測出收卷機的速度。通過開卷機、剪切機和收卷機上的編碼器所發(fā)出的脈沖信號就可以計算出相應(yīng)的線速度，就可以通過PLC集中控制，控制框圖如圖2所示，進(jìn)行速度的比較匹配，其中縱剪機為主速度，開卷機和收卷機以它為標(biāo)準(zhǔn)自動進(jìn)行增減，縱剪機的速度是通過上位機手動給定的。為了防止測量和機械加工的誤差引起的速度不匹配，在兩個活套坑中設(shè)置了光電開關(guān)B11、B12、B21、B22，當(dāng)硅鋼帶超過上限時，開卷機加速，收卷機減速，當(dāng)硅鋼帶超過下限時，開卷機減速，收卷機加速。變壓器鐵芯縱剪線控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

速度調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)，由于電流調(diào)節(jié)比速度調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)小，波形變化復(fù)雜，而且要經(jīng)常調(diào)節(jié)，對電動機的轉(zhuǎn)矩控制要恒定，電流調(diào)節(jié)器相對速度調(diào)節(jié)器的時間間隔要小，所以電流調(diào)節(jié)采用模糊PI控制，對系統(tǒng)性能的提升更加有利。

取模糊語言變量e、ec、ΔKp、ΔTi的論域均為［-6，+6］，確定它們的隸屬度函數(shù)，采用Mamdani模糊推理方法，并根據(jù)不同偏差及偏差變化率對PI參數(shù)的要求及其現(xiàn)場調(diào)節(jié)的經(jīng)驗，由模糊控制規(guī)則表對輸入語言變量量化后的各種組合通過模糊邏輯推理離線計算出每一個狀態(tài)的模糊控制器輸入，得出ΔKp、ΔTi的模糊控制查詢表如表1所示。

在線進(jìn)行PI參數(shù)整定時，計算機根據(jù)采樣和變換來的E和EC值直接查表得出ΔKp、ΔTi在論域內(nèi)的精確值，將這些值代入下式進(jìn)行離線計算就可以得到控制系統(tǒng)的最佳的PI參數(shù)。

3 上位機界面

該系統(tǒng)上位機選用研華工控機IPC-610H，監(jiān)控軟件選用Kingview6.53。上位機與PLC通過RS232連接，進(jìn)行實時通信，數(shù)據(jù)共享，人機界面采用中文界面，方便操作員操作。主操作界面如圖3所示。

表1 ΔKp、ΔTi 模糊控制查詢表

4 PLC程序

程序通過編程軟件GX-Developer采用梯形圖語言設(shè)計完成，主控制器采用三菱FX2N-64MR系列PLC作為整個縱剪線的實時控制器，擴展單元由4A/D和一個4D/A模塊組成，用于模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，輸入模塊主要是對整個系統(tǒng)的傳感器、繼電器、光電開關(guān)、編碼器和控制按鍵的信號的采集，輸出模塊主要是對控制系統(tǒng)的所有電機的控制及其系統(tǒng)狀態(tài)信息的顯示。PLC程序必須實現(xiàn)以下功能:實現(xiàn)單機或多機正、反向點動及聯(lián)動運行，多機聯(lián)動時，開卷機到卷取機之間的線速度應(yīng)保持一致;實現(xiàn)全剪聯(lián)合剪切，不僅要保證全線的線速度一致，而且卷取機在卷繞硅鋼帶的過程中應(yīng)保持線速度恒定及張力恒定，以便保持卷帶緊而平整［3］。程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語

在變壓器鐵芯縱剪線控制系統(tǒng)改造過程中，運用研華工控機和組態(tài)王軟件組成上位機，對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。采用三菱FX2N系列PLC控制整個系統(tǒng)傳感器、繼電器、光電開關(guān)、編碼器和控制按鍵的信號的采集，以及所有電動機的控制及其系統(tǒng)狀態(tài)信息的顯示。開卷機、縱剪機和收卷機均采用直流電動機驅(qū)動，采用電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)控制3臺直流電動機，其中電流控制為內(nèi)環(huán)，采用模糊PI控制，速度控制為外環(huán)，采用PI控制。實際運行表明:硅鋼片縱剪線系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的改造目的，為變壓器廠家既節(jié)省了買新設(shè)備的費用又避免了對原有設(shè)備淘汰造成的浪費，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，為同類縱剪線的改造提供了實際參考價值。

［1］于海年，薛守謙主編.變壓器制造專用設(shè)備［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000.

［2］張承根.解剖國產(chǎn)變壓器專用設(shè)備［J］.機電新產(chǎn)品導(dǎo)報，2002(z1):110-112.

［3］呂海衛(wèi)，李琳，劉光星，等.縱剪生產(chǎn)線直流系統(tǒng)的改造［J］.電氣應(yīng)用，2008，27(6):30-33.